[发明专利]风帆式垂直轴风力发电机

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种风力发电装置，特别涉及一种风帆式垂直轴风力发电机。

(二)背景技术

目前，现有技术的垂直轴风力发电机，主要有两种形式：一种是利用风阻力工作的S型风力发电机，优点是起动风速低，可在低风速工作，但其缺点侧向压力过大，严重影响整机安全。另一种是利用机翼升力工作，其工作力矩对称侧向压力小。现有技术的垂直轴风力发电机共同的优点是：设备在地面建造容易维护简单和不择来风向无需偏航控制。但其致命伤首先是垂直主轴的两侧中当一侧顺风，而另一侧必是逆风，只要是叶片与风轮轴固定的，叶片在顺风铡和逆侧的风向投影面积都相等，只是叶片的两面型线有些区别才产生力矩，但逆风侧做负功不可避免，因此现有技术的风力发电机风能利用系数都很低。另一方面，叶片固定，不能实现类似水平轴风力发电机桨叶变距的动能，无法改变叶片的迎风面积，当暴风来临时将面临机毁之灾。因此现代风电行业很少见有垂直轴风力发电机，尤其是大型机组更是未见使用。

(三)发明内容

本发明为了弥补现有技术的缺陷，提供了一种风轮主轴没有侧向力的、逆风侧不做负功的、起动风速更低和切出风速更高、风能利用系数更高的风帆式垂直轴风力发电机。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种风帆式垂直轴风力发电机，其特征是：风轮周边安装有风帆及风帆升降装置，风帆的桅杆中心O₁绕风轮中心O转动作公转，同时风帆以相反方向绕桅杆中心O₁转动作自转，风轮上安装有偏航装置。

该风帆式垂直轴风力发电机，风帆通过风帆升降装置实现变距，风轮在逆风侧做正功，风轮的侧向力为零，风能利用系数高于水平风力发电机。偏航装置包括套装在风轮上的中心锥齿轮，中心锥齿轮通过大齿轮、小齿轮、蜗轮、蜗杆与偏航伺服电机相连接，通过转动中心锥齿轮实现偏航控制。中心锥齿轮是风向座标XY的载体，通过转动中心锥齿轮跟踪来风方向，来风方向未变时，中心锥齿轮是静止的，风轮转动时，锥齿轮绕着中心锥齿轮作行星运动，锥齿轮通过轴带动锥齿轮和锥齿轮，使得风帆也作行星运动。风帆升降装置包括安装在风轮周边的升降伺服电机，升降伺服电机带动蜗杆、蜗轮、卷筒、滑轮和缆绳动作，实现安装在桅杆上的风帆的升降，桅杆的顶端设有顶套。当来风速度小时风帆升起以增加动能，当来风速度太大时降下部份风帆，以减少风力。风帆包括风帆板和风帆板铰链，风帆板铰链与桅杆之间设有导向环耳轴，风帆的结构为折叠式、伸缩式或卷帘式。

众所周知，帆船在海面行驶，逆风也能顶风行驶，其原理是调整风帆面与来风方向的夹角，依此原理本发明采用的风帆是根据来风方向，按设定的规律运动，使得风帆面与来风方向夹角处于最佳状态，使得风帆既在顺风一侧作正功，在逆风一侧也作正功，无侧向压力，从而大幅度提高风能利用系数。因为本发明的逆风侧也作正功，因而产生很大的起动力，所以起动的风速也比较低。同时本发明的风帆自身也在转动，而且与风轮的角速度相反，与水平轴风力发电机相比，相同的风轮转速，其最外圆叶尖速度比较低。因此本发明风帆式垂直轴风力发电机的破坏风速比水平轴风力发电机的破坏风速高，也就是说本发明的切出风速可以比较高，早起动晚切出，使得风力发电机一年内的工作时间增多，这从另一方面提高了风能资源的利用率。

本发明为了实现类似变距的功能，采用与帆船一样升降风帆改变风帆的迎风面积，风帆的结构可有三种形式，一是折叠式、二是伸缩式、三是卷帘式，都能实现风帆的升降，以折叠最易实施，由来风的速度信号控制风帆升降伺服电机，实现了风帆因来风速度改变而升降，保证风力发电机在最佳转速工作，也避免因暴风而毁机之灾。本发明仍保留现有技术垂直轴风力发电机的动力输出轴在地面，主要设施在地面，有便于建造和容易维修的优点。但是本发明的风帆面对来风方向有要求，现有技术的垂直轴风力发电机可接受任方向来风的优点，在本发明风帆式垂直轴风力发电机中已不存在，因而本发明必须解决和水平轴风力发电机一样的偏航问题。

本发明的有益效果是：该风帆式垂直轴风力发电机，逆风侧不作负功，因而风能利用系数得以提高，其理论数值可突破了贝兹极限，本发明起动风速低切出风速高，工作时间长资源利用率高，其主要设施在地面，便于建造和维修。同时该风力发电机的风轮无侧向力，利用风帆升降实现了变距。

(四)附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图1为本发明风帆式垂直轴风力发电机的工作原理图。

附图2为本发明风帆式垂直轴风力发电机的传动系统图。

附图3为本发明水平轴风力发电机风轮的结构示意图。